JPWO2019031095A1 - 光学ガラス、光学素子及び光学機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を以下に述べる。本明細書中で特に断りがない場合、各成分の含有量は、全て酸化物換算組成のガラス全質量に対する質量%で表示されるものとする。ここで、「酸化物換算組成」とは、本発明のガラス構成成分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が熔融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総質量を100質量%として、ガラス中に含有される各成分を表記した組成である。
B2O3成分は、ガラス形成酸化物として欠かすことの出来ない必須成分である。
特に、B2O3成分を10.5%以上含有することで、ガラスの耐失透性を高められ、且つガラスの分散を小さくできる。従って、B2O3成分の含有量の下限は、好ましくは10.5%以上、より好ましくは11.8%以上、より好ましくは16.8%以上、さらに好ましくは19.3%以上、さらに好ましくは21.3%以上、さらに好ましくは24.3%以上とする。
一方、B2O3成分の含有量を50.5%以下にすることで、より大きな屈折率を得易くでき、化学的耐久性の悪化を抑えられる。従って、B2O3成分の含有量の上限は、好ましくは50.5%以下、より好ましくは45.5%以下、さらに好ましくは43.0%以下、さらに好ましくは40.5%以下、さらに好ましくは38.0%以下とする。
B2O3成分は、原料としてH3BO3、Na2B4O7、Na2B4O7・10H2O、BPO4等を用いることができる。
一方、La2O3成分の含有量を60.0%以下にすることで、ガラスの耐失透性を高められる。従って、La2O3成分の含有量の上限は、好ましくは60.0%以下、より好ましくは57.5%以下、さらに好ましくは55.0%未満、さらに好ましくは52.5%以下とする。
La2O3成分は、原料としてLa2O3、La(NO3)3・XH2O(Xは任意の整数)等を用いることができる。
一方で、Y2O3成分の含有量を38.0%以下にすることで、ガラスの屈折率の低下を抑えられ、且つガラスの耐失透性を高められる。従って、Y2O3成分の含有量の上限は、好ましくは38.0%以下、より好ましくは33.0%以下、さらに好ましくは30.5%以下、さらに好ましくは23.3%以下、さらに好ましくは20.8%以下とする。また、Gd2O3成分を含有する場合、Y2O3成分の含有量を9.5%以下とすることが好ましい。そうすることで過剰な含有による耐失透性の悪化を抑えることができる。従って、Y2O3成分の含有量の上限は、好ましくは9.5%以下、より好ましくは8.5%以下、さらに好ましくは7.5%以下、さらに好ましくは6.5%以下とする。
Y2O3成分は、原料としてY2O3、YF3等を用いることができる。
一方で、ZnO成分の含有量を15.0%以下にすることで、ガラスの屈折率の低下や、耐失透性の低下を抑えられる。また、これにより熔融ガラスの粘性が高められるため、ガラスへの脈理の発生を低減できる。従って、ZnO成分の含有量の上限は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは2.5%以下、さらに好ましくは1.23%以下、さらに好ましくは1.0%未満とする。
ZnO成分は、原料としてZnO、ZnF2等を用いることができる。
一方で、MgO成分、CaO成分、SrO成分及びBaO成分の各々の含有量を5.0%未満にすることでガラス成形時の安定性を高め、またこれらの成分の過剰な含有による、耐失透性を抑え、屈折率の低下を抑えられる。従って、MgO成分、CaO成分、SrO成分及びBaO成分の各々の含有量の上限は、好ましくは5.0%未満、より好ましくは4.0%未満、さらに好ましくは2.0%以下、さらに好ましくは1.0%以下とする。
MgO成分、CaO成分、SrO成分及びBaO成分は、原料としてMgCO3、MgF2、CaCO3、CaF2、Sr(NO3)2、SrF2、BaCO3、Ba(NO3)2、BaF2等を用いることができる。
一方で、SiO2成分の含有量を18.3%以下にすることで、ガラス転移点の上昇を抑え、且つ屈折率の低下を抑えることができる。従って、SiO2成分の含有量上限は、好ましくは18.3%以下、より好ましくは13.3%以下、さらに好ましくは10.8%以下とし、さらに好ましくは7.5%未満、さらに好ましくは4.51%以下、さらに好ましくは4.0%未満とする。
SiO2成分は、原料としてSiO2、K2SiF6、Na2SiF6等を用いることができる。
また、Y2O3成分の含有量が10.0%未満の場合では、Gd2O3成分の含有量は5.4%以上とすることが好ましい。そうすることで耐失透性に優れたガラスを得ることができる。従って、Gd2O3成分の含有量の下限は、好ましくは5.4%以上、より好ましくは7.9%以上、さらに好ましくは10.4%以上とする。
一方で、希土類元素の中でも特に高価なGd2O3成分を10.0%未満に低減することで、ガラスの比重を低く抑えられ、且つガラスの材料コストを抑えられる。また、これによりガラスのアッベ数の必要以上の上昇を抑えられる。従って、Gd2O3成分の含有量の上限は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%以下、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%以下、さらに好ましくは0.1%以下とし、材料コストを低減させる観点で、実質的に含まなくても良い。
また、Y2O3成分の含有量が10.0%未満の場合では、所望の屈折率及びアッベ数を得ることができない。従って、Gd2O3成分の含有量の上限は、好ましくは35.0%以下、より好ましくは32.5%以下、さらに好ましくは23.0%以下、さらに好ましくは18.3%以下、さらに好ましくは15.8%以下とする。
Gd2O3成分は、原料としてGd2O3、GdF3等を用いることができる。
一方で、高価なTa2O5成分の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの材料コストが低減されるため、より安価な光学ガラスを作製できる。また、これにより、原料の熔解温度が低くなり、原料の熔解に要するエネルギーが低減されるため、光学ガラスの製造コストも低減できる。
従って、Ta2O5成分の含有量の上限は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とし、
材料コストを低減させる観点で、実質的に含まなくても良い。
Ta2O5成分は、原料としてTa2O5等を用いることができる。
一方で、Li2O成分の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの粘性が高められるため、ガラスの脈理を低減できる。また、これによりガラスの屈折率を低下し難くでき、ガラスの化学的耐久性を高めることができ、且つ、耐失透性を高められる。従って、Li2O成分の含有量の上限は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満とし、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは2.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とし、さらに好ましくは0.2%未満とし、実質的に含まなくても良い。
Li2O成分は、原料としてLi2CO3、LiNO3、Li2CO3等を用いることができる。
一方で、Na2O成分、K2O成分及びCs2O成分の各々の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの屈折率を低下し難くし、且つ、耐失透性を高められる。従って、Na2O成分、K2O成分及びCs2O成分の各々の含有量の上限は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは2.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とし、実質的に含まなくても良い。
Na2O成分、K2O成分及びCs2O成分は、原料としてNaNO3、NaF、Na2SiF6、K2CO3、KNO3、KF、KHF2、K2SiF6、Cs2CO3、CsNO3等を用いることができる。
一方で、ZrO2成分を15.0%以下にすることで、ZrO2成分の過剰な含有によるガラスの耐失透性の低下を抑えられる。従って、ZrO2成分の含有量の上限は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは12.5%以下、さらに好ましくは10.0%以下、さらに好ましくは8.0%以下、さらに好ましくは6.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満とする。
ZrO2成分は、原料としてZrO2、ZrF4等を用いることができる。
一方で、Al2O3成分の含有量を20.0%以下にすることで、過剰な含有による耐失透性の悪化や屈折率の低下を抑えられる。従って、Al2O3成分の含有量の上限は、好ましくは20.0%以下、より好ましくは15.0%未満、さらに好ましくは10.0%以下、さらに好ましくは8.0%以下、さらに好ましくは5.0%以下とする。
Al2O3成分は、原料としてAl2O3、Al(OH)3、AlF3、Al(PO3)3等を用いることができる。
一方で、Yb2O3成分の含有量を20.0%以下にすることで、ガラスの材料コストが低減されるため、より安価な光学ガラスを作製できる。また、これによりガラスの耐失透性を高められる。従って、Yb2O3成分の含有量の上限は、好ましくは20.0%以下、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とし、実質的に含まなくても良い。
Yb2O3成分は、原料としてYb2O3等を用いることができる。
特に、この和を40.5%以上にすることで、ガラスの分散を小さくできる。従って、Ln2O3成分の質量和の下限は、好ましくは40.5%以上、より好ましくは43.0%以上、さらに好ましくは45.0%超、さらに好ましくは47.5%以上、さらに好ましくは50.5%以上、さらに好ましくは52.5%以上とする。
一方で、この和を75.0%以下にすることで、ガラスの液相温度が低くなるため、耐失透性を高められる。従って、Ln2O3成分の質量和の上限は、好ましくは75.0%以下、より好ましくは70.0%未満、さらに好ましくは65.0%未満、さらに好ましくは62.5%以下とする。
一方で、TiO2の含有量を15.0%未満にすることで、ガラスの着色を低減して可視光透過率を高め、且つ、アッベ数の必要以上の低下を抑えられる。また、TiO2成分の過剰な含有による失透を抑えられる。従って、TiO2成分の含有量の上限は、好ましくは15.0%未満、より好ましくは10.0%以下、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%未満とする。
TiO2成分は、原料としてTiO2等を用いることができる。
一方で、Nb2O5成分の含有量を20.0%以下にすることで、Nb2O5成分の過剰な含有によるガラスの耐失透性の低下や、可視光の透過率の低下を抑えることができる。従って、Nb2O5成分の含有量の上限は、好ましくは20.0%以下、より好ましくは15.0%以下、さらに好ましくは10.0%以下、さらに好ましくは8.0%以下、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.5%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
Nb2O5成分は、原料としてNb2O5等を用いることができる。
一方で、WO3成分の含有量を20.0%以下にすることで、WO3成分によるガラスの着色を低減して可視光透過率を高めることができる。従って、WO3成分の含有量の上限は、好ましくは20.0%以下、より好ましくは10.0%以下、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%未満とする。
WO3成分は、原料としてWO3等を用いることができる。
しかしながら、Ga2O3は原料価格が高いため、その含有量が多いと生産コストが高くなってしまう。従って、Ga2O3成分の含有量の上限は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%以下、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%以下、さらに好ましくは0.1%以下とする。材料コストを低減させる観点で、Ga2O3成分を含有しなくてもよい。
Ga2O3成分は、原料としてGa2O3等を用いることができる。
P2O5成分は、原料としてAl(PO3)3、Ca(PO3)2、Ba(PO3)2、BPO4、H3PO4等を用いることができる。
GeO2成分は、原料としてGeO2等を用いることができる。
一方で、Bi2O3成分の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの耐失透性を高められ、且つ、ガラスの着色を低減して可視光透過率を高められる。従って、Bi2O3成分の含有量の上限は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%未満とする。
Bi2O3成分は、原料としてBi2O3等を用いることができる。
しかしながら、TeO2は白金製の坩堝や、溶融ガラスと接する部分が白金で形成されている溶融槽でガラス原料を熔融する際、白金と合金化しうる問題がある。従って、TeO2成分の含有量の上限は、好ましくは20.0%以下、より好ましくは10.0%以下、さらに好ましくは5.0%以下とし、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%未満とし、実質的に含有しなくても良い。
TeO2成分は、原料としてTeO2等を用いることができる。
一方で、SnO2成分の含有量を1.0%以下にすることで、熔融ガラスの還元によるガラスの着色や、ガラスの失透を低減できる。また、SnO2成分と熔解設備(特にPt等の貴金属)の合金化が低減されるため、熔解設備の長寿命化を図ることができる。従って、SnO2成分の含有量の上限は、好ましくは1.0%以下、より好ましくは0.7%以下、さらに好ましくは0.5%以下とする。
SnO2成分は、原料としてSnO、SnO2、SnF2、SnF4等を用いることができる。
一方で、Sb2O3量が多すぎると、可視光領域の短波長領域における透過率が悪くなる。従って、Sb2O3成分の含有量の上限は、好ましくは1.0%以下、より好ましくは0.7%以下、さらに好ましくは0.5%以下とする。
Sb2O3成分は、原料としてSb2O3、Sb2O5、Na2H2Sb2O7・5H2O等を用いることができる。
次に、本発明の光学ガラスに含有すべきでない成分、及び含有することが好ましくない成分について説明する。
本発明の光学ガラスは、例えば以下のように作製される。すなわち、上記原料を各成分が所定の含有量の範囲内になるように均一に混合し、作製した混合物を白金坩堝に投入し、ガラス組成の熔融難易度に応じて電気炉で1100〜1500℃の温度範囲で2〜5時間熔融し、攪拌均質化した後、適当な温度に下げてから金型に鋳込み、徐冷することにより作製される。
本発明の光学ガラスは、高屈折率及び高アッベ数(低分散)を有することが好ましい。特に、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)の下限は、好ましくは1.70以上、より好ましくは1.71以上、さらに好ましくは1.72以上とする。この屈折率の上限は、好ましくは1.85以下、より好ましくは1.82以下、さらに好ましくは1.80以下、さらに好ましくは1.78以下であってもよい。また、本発明の光学ガラスのアッベ数(νd)の下限は、好ましくは40以上、より好ましくは45以上、さらに好ましくは47以上とし、上限は、好ましくは60以下、より好ましくは58以下、さらに好ましくは55以下とする。
このような屈折率を有することで、光学素子の薄型化を図っても大きな光の屈折量を得ることができる。また、このような低分散を有することで、単レンズであっても光の波長による焦点のずれ(色収差)が小さくなる。加えて、このような低分散を有することで、例えば高分散(低いアッベ数)を有する光学素子と組み合わせた場合に、高い結像特性等を図ることができる。
従って、本発明の光学ガラスは、光学設計上有用であり、特に高い結像特性等を図りながらも、光学系の小型化を図ることができ、光学設計の自由度を広げることができる。
一方で、本発明の光学ガラスの液相温度の下限は特に限定しないが、本発明によって得られるガラスの液相温度の下限は、好ましくは500℃以上、より好ましくは600℃以上、さらに好ましくは700℃以上としてもよい。なお、本明細書中における「液相温度」は、50mlの容量の白金製坩堝に5ccのカレット状のガラス試料を白金坩堝に入れて1350℃で完全に熔融状態にし、所定の温度まで降温して12時間保持し、炉外に取り出して冷却した後直ちにガラス表面及びガラス中の結晶の有無を観察し、結晶が認められない一番低い温度を表す。ここで降温する際の所定の温度は、1300℃までの10℃刻みの温度である。
特に、本発明の光学ガラスは、ガラスの透過率で表すと、厚み10mmのサンプルで分光透過率80%を示す波長(λ80)の上限は、好ましくは500nm以下、より好ましくは450nm以下、さらに好ましくは420nm以下とする。
また、本発明の光学ガラスにおける、厚み10mmのサンプルで分光透過率5%を示す最も短い波長(λ5)の上限は、好ましくは380nm以下、より好ましくは360nm以下、さらに好ましくは320nm以下、さらに好ましくは300nm以下とする。
これらにより、ガラスの吸収端が紫外領域の近傍になり、可視光に対するガラスの透明性が高められるため、この光学ガラスを、レンズ等の光を透過させる光学素子に好ましく用いることができる。
本発明の光学ガラスの比重は、日本光学硝子工業会規格JOGIS05−1975「光学ガラスの比重の測定方法」に基づいて測定する。
作製された光学ガラスから、例えば研磨加工の手段、又は、リヒートプレス成形や精密プレス成形等のモールドプレス成形の手段を用いて、ガラス成形体を作製することができる。すなわち、光学ガラスに対して研削及び研磨等の機械加工を行ってガラス成形体を作製したり、光学ガラスから作製したプリフォームに対してリヒートプレス成形を行った後で研磨加工を行ってガラス成形体を作製したり、研磨加工を行って作製したプリフォームや、公知の浮上成形等により成形されたプリフォームに対して精密プレス成形を行ってガラス成形体を作製したりすることができる。なお、ガラス成形体を作製する手段は、これらの手段に限定されない。
Claims (5)
- 質量%でB2O3成分を10.5〜50.5%、La2O3成分を18.0〜60.0%、ZnO成分を15.0%以下、及びRO成分を5.0%以下含有し、質量比SiO2/B2O3が0.5以下である光学ガラス(式中、RはMg、Ca、Sr、Baからなる群より選択される1種以上)。
- 質量比(TiO2+Nb2O5+Ta2O5+WO3)/(Y2O3+ZrO2)が1.00以下である請求項1記載の光学ガラス。
- 1.70以上の屈折率(nd)を有し、40以上60以下のアッベ数(νd)、1300℃以下の液相温度を有する請求項1又は2記載の光学ガラス。
- 請求項1から3のいずれか記載の光学ガラスを母材とする光学素子。
- 請求項4記載の光学素子を備える光学機器。
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